火電廠脫硝儀表和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

肖家勝，孫 捷

（1．上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，上海200241； 2．上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

國(guó)家頒布的新標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于氮氧化物（NOx）的排放質(zhì)量濃度的限值為100mg／m3，且要求到2015年國(guó)內(nèi)已運(yùn)行和新建火電機(jī)組要全部安裝煙氣脫硝設(shè)施［1］，以實(shí)現(xiàn)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要中要求的NOx減排10%的總體目標(biāo)。截至2011年8月，7家中央發(fā)電集團(tuán)已投運(yùn)的脫硝機(jī)組容量為7．306×107kW，約占其燃煤機(jī)組容量的17%［2］。火電燃煤機(jī)組排放的NOx也是PM2．5增加的重要原因。而脫硝作為減少NOx排放的主要手段，成為“十二五”期間火電企業(yè)面臨的首要任務(wù)，由此使得脫硝產(chǎn)業(yè)急劇升溫，脫硝系統(tǒng)的建設(shè)及正常投運(yùn)也日益重要。

目前國(guó)內(nèi)脫硝裝置大多布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，采用選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝，分為SCR系統(tǒng)和公用制氨系統(tǒng)兩部分。但脫硝產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)畢竟為新興產(chǎn)業(yè)，且相對(duì)應(yīng)的脫硝技術(shù)規(guī)范直到2010年4月1日起才正式實(shí)施［3］，使得脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本上由各設(shè)計(jì)院參照相關(guān)電力、化工規(guī)范進(jìn)行，存在較大的優(yōu)化空間。以下針對(duì)脫硝裝置的SCR系統(tǒng)及公用制氨系統(tǒng)儀表和控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 SCR氨氣流量控制系統(tǒng)

單臺(tái)機(jī)組脫硝系統(tǒng)對(duì)稱布置兩個(gè)SCR反應(yīng)器，分別對(duì)鍋爐省煤器出口的兩路煙氣進(jìn)行凈化。氨氣與空氣混合后，通過(guò)注氨格柵（AIG）與進(jìn)入催化反應(yīng)器之前的煙氣均勻混合，流經(jīng)SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑模塊，發(fā)生催化還原反應(yīng)，生成無(wú)毒的氮?dú)夂退?/p>

SCR反應(yīng)器所注入的氨氣，主要通過(guò)兩個(gè)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，分別對(duì)兩路AIG的噴氨量進(jìn)行調(diào)節(jié)。日常運(yùn)行時(shí)，將其投入自動(dòng)控制，故障狀態(tài)下則進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。而氨氣與空氣均勻混合時(shí)，通常將氨的體積分?jǐn)?shù)φ（NH3）控制在5%以內(nèi)，所需的空氣則由稀釋風(fēng)機(jī)提供。當(dāng)混合氣體中的φ（NH3）達(dá)到5%時(shí)報(bào)警檢修；當(dāng)φ（NH3）達(dá)到8%時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉關(guān)斷閥。系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 氨氣流量控制系統(tǒng)圖

圖1中稀釋風(fēng)機(jī)以脫硝所需最大供氨量為基準(zhǔn)（即規(guī)定的脫硝效率）進(jìn)行設(shè)計(jì)，其性能將保證能適應(yīng)鍋爐（40%～100%）BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況下正常運(yùn)行，并留有10%裕度。稀釋空氣出口蝶閥一般設(shè)置在最大開度而無(wú)需調(diào)整，空氣流量確定后，就不再需要隨鍋爐負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整［4］。而氨氣和空氣混合存在一定的爆炸極限（在空氣中φ（NH3）為15%～28%），因此在一定的稀釋空氣流量下，有一個(gè)最大允許氨流量函數(shù)f（x2），將φ（NH3）降低到爆炸下極限以下。氨流量計(jì)算值由鍋爐煙氣量、進(jìn)口φ（NH3）、氨－氮氧化物比（n（NH3）／n（NOx））的乘積所得。NH3投入量過(guò)低或過(guò)高時(shí)都將會(huì)降低脫硝效率；當(dāng)NH3投入量過(guò)高時(shí)，還會(huì)造成出口φ（NH3）超標(biāo)，影響鍋爐運(yùn)行安全。因此設(shè)置氨流量限值函數(shù)f（x3），控制氨－氮氧化物比小于1．1［5］，見圖2。

圖2 氨氣流量控制邏輯圖

在稀釋風(fēng)機(jī)風(fēng)量一定的前提下，通過(guò)φ（NH3）高報(bào)警信號(hào)及LS（低值選擇器）及切斷閥關(guān)閉信號(hào)，保證將φ（NH3）控制在5%以內(nèi)，即氨氣調(diào)節(jié)閥根據(jù)脫硝系統(tǒng)實(shí)際需氨量調(diào)節(jié)在合適的開度。由于選定稀釋風(fēng)機(jī)后即已選定稀釋風(fēng)量，因此可認(rèn)為稀釋空氣體積為定值，而只需調(diào)節(jié)氨氣體積，即對(duì)圖2中氨氣調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行控制即可。圖1中稀釋風(fēng)機(jī)出口無(wú)需設(shè)置標(biāo)有云線的流量?jī)x表。

通常氨氣的流量均采用流量孔板測(cè)量，氨氣體積由于受溫度、壓力影響較大，因此流量孔板測(cè)量的數(shù)值需要加溫度、壓力修正，存在偏差較大的問(wèn)題。采用先進(jìn)的智能型質(zhì)量流量計(jì)，則可以更為準(zhǔn)確地測(cè)量氨氣的流量。

2 煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）及其布置

脫硝裝置進(jìn)口煙道監(jiān)測(cè)參數(shù)有：NOx質(zhì)量濃度m′（NOx）、O2質(zhì)量濃度m′（O2）；出口煙道監(jiān)測(cè)參數(shù)有：氨逃逸率、m″（O2）、m″（NOx）等。每臺(tái)機(jī)組省煤器出口的兩路煙氣對(duì)應(yīng)兩個(gè)SCR反應(yīng)器，總共需4套CEMS監(jiān)測(cè)裝置，其中出、入口各2套。一般把CEMS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置布置在現(xiàn)場(chǎng)小屋內(nèi)，由于小屋所在平臺(tái)空間有限，要求小屋面積盡量能縮小。

以300MW機(jī)組為例，該小屋布置在機(jī)組兩側(cè)23．4m標(biāo)高的SCR反應(yīng)器附近平臺(tái)上，該平臺(tái)寬度約7．5m，上面裝有稀釋風(fēng)機(jī)及氨氣流量控制系統(tǒng)等就地設(shè)備。通常小屋內(nèi)除了布置CEMS監(jiān)測(cè)機(jī)柜外，還有1臺(tái)DCS遠(yuǎn)程機(jī)柜，2個(gè)電氣配電柜。根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)，CEMS制造廠會(huì)設(shè)計(jì)4個(gè)監(jiān)測(cè)主機(jī)柜，小屋尺寸設(shè)計(jì)為5 000mm（寬）×6 500mm（深），平臺(tái)剩余空間狹小，影響稀釋風(fēng)機(jī)的檢修空間。因此可要求CEMS廠商針對(duì)其產(chǎn)品特點(diǎn)，把2套出口、2套入口監(jiān)測(cè)裝置各自集中在一個(gè)主機(jī)柜內(nèi)，或把單臺(tái)SCR反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的出、入口監(jiān)測(cè)裝置集中在一個(gè)主機(jī)柜內(nèi)，這樣只需2個(gè)主機(jī)柜即可，小屋尺寸相應(yīng)縮小為4 600mm（寬）×5 400mm（深），可節(jié)省出大的空間作為稀釋風(fēng)機(jī)檢修空間。

3 液氨儲(chǔ)罐測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

液氨儲(chǔ)罐溫度控制及液位測(cè)量為消防監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。目前，氨儲(chǔ)罐溫度測(cè)量有兩種布置方式：

（1）氨儲(chǔ)罐溫度測(cè)量布置在儲(chǔ)罐中間下部，溫度計(jì)測(cè)量端完全浸沒(méi)在液氨中。

（2）氨儲(chǔ)罐溫度測(cè)量布置在氨儲(chǔ)罐的正上方，溫度計(jì)測(cè)量端相對(duì)較長(zhǎng)。

兩種方式都有應(yīng)用，但由于后者通過(guò)氨罐上方檢修平臺(tái)，更易維護(hù)。

對(duì)于液氨儲(chǔ)罐液位測(cè)量，設(shè)計(jì)者可依據(jù)測(cè)量?jī)x器的不同類型進(jìn)行選擇，見表1。

表1 液氨儲(chǔ)罐液位測(cè)量?jī)x表選擇

從表1可見：磁翻板液位計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，能保證液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。磁翻板液位計(jì)還可配帶液位變送器，送出4～20mA的電流信號(hào)至中央控制室，滿足就地顯示和遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)的雙重要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，必將有越來(lái)越多的脫硝裝置投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員也將對(duì)脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加熟悉，無(wú)疑會(huì)促進(jìn)脫硝工藝的發(fā)展，完成NOx減排任務(wù)。

［1］黃少中，左源，趙立志．關(guān)于脫硝電價(jià)政策的研究和建議［R］．北京：國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)，2012．

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012．

［3］環(huán)境保護(hù)部．HJ 562—2010火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范（選擇性催化還原法）［S］．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010．

［4］趙國(guó)慶，何暢．大型燃煤電站脫硝過(guò)程自動(dòng)控制的特點(diǎn)和實(shí)踐［J］．浙江電力，2007，26（3）：34－36．

［5］徐旭，應(yīng)劍，王新龍．燃煤電廠選擇性催化還原煙氣脫硝系統(tǒng)的性能試驗(yàn)［J］．動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，30（6）：439－443．